汽车维护及维修-第1章.ppt

第1章汽车发动机工作过程与性能评定,第一节汽车发动机换气过程,四行程发动机的换气过程包括从排气门开启到进气门关闭的整个时期，约占410480曲轴转角。换气过程包括排气过程和进气过程，换气过程的任务排除废气、充入尽可能多的新鲜工质（新鲜混合气或空气）排得净，进得多固定的配气相位只对一种转速有利。为此，目前轿车上，安装有可变进气系统、可变配气机构（改变相位角、气门升程）或者进气增压系统。,一、四行程发动机的换气过程,（1）自由排气阶段从排气门在下止点前开启到气缸内压力接近排气管内压力的这一时期，称为自由排气阶段。从排气门开启到活塞行至下止点所对应的曲轴转角称为排气提前角，一般为4080曲轴转角。由于配气机构惯性力的限制，气门开启与关闭不能太快，需要一定时间，如果活塞到下止点时排气门才开始开启，在开启初期开度极小，废气不能通畅流出，气缸内压力下降缓慢，不能实现充分排气，而且在活塞向上止点回行时会形成较大的反压力，增加排气行程所消耗的功。为此，排气门必须在下止点前开启（图1-1中b点）。自由排气阶段气体的流动分为超临界状态和亚临界状态。,（2）强制排气阶段在这一阶段，气缸内的废气是由活塞上行强制推出。因为要克服排气门、排气道处的阻力，气缸内平均压力比排气管平均压力一般高出10kPa左右。气体的流速越高，此压差越大，消耗的功越多。为了减少排气节流和利用高速气流的惯性排除废气，排气门应在活塞过了上止点后才关闭。从上止点到排气门关闭这段曲轴转角，称为排气迟闭角，一般为1030曲轴转角。,（3）进气阶段为保证活塞下行时进气门有足够大的开启面积、新鲜工质顺利流入气缸，进气门也要提前开启，一般为进气提前角为040曲轴转角。进气门也需在活塞到达下止点后关闭，这样便可利用高速气流的惯性，在上止点后继续进气。而且发动机转速愈高，进气流速愈大，进气门应愈迟关闭。进气迟闭角，一般为4080曲轴转角。,将进排气门开闭角度以及相对上下止点的位置画出，称为配气定时图,二、四行程发动机的换气损失,(1)排气损失排气损失是从排气门提前打开，直到进气行程开始，气缸内压力到达大气压力之前，循环功的损失。它可分为：自由排气损失（图1-3中面积W），是由于排气门提前打开而引起的膨胀功的减少。强制排气损失（图1-3中面积Y），是由于活塞上行强制推出废气所消耗的功。,(2)进气损失进气损失主要是进气过程中，因进气系统的阻力而引起的功的损失。如图1-3中面积X所示。它与排气损失相比相对较小。排气损失与进气损失之和称为换气损失，即图中面积(W+Y+X)。在实际循环示功图中把面积(X+Y-d)相当的负功，称为泵气损失。由于测量上的原因，泵气损失放在机械损失中考虑，而将（W+d）放入热效率中考虑。,三、发动机的充气系数,充气系数（充气效率）概念充气系数（充气效率）是实际进入气缸的新鲜工质的量与进气状态下充满气缸工作容积的新鲜工质的量的比值。式中m1、V1实际进入气缸的新鲜工质的质量、体积（进气状态）；ms、Vs进气状态下充满工作容积的新鲜工质的质量、气缸工作容积。,式中：Ta、Pa进气终了时的气体温度和压力；Ts、Ps进气状态的温度和压力；残余废气系数，即进气过程结束时气缸内残余废气量与气缸内新鲜充量的比值；压缩比。,充气系数总是小于1，可以用来评价不同排量发动机的换气过程的好坏。数值越大，换气过程越完善。影响充气系数的主要因素：,1进气终了时的压力PaPa对有重要影响，Pa愈高，值愈大Pa=Ps-Pa式中，pa为气体流动时，克服进气系统阻力而引起的压降(kPa)。一般可写成式中管道阻力系数；进气状态下气体的密度；v管道内气体的流速（m/s）。可见，pa主要取决于各段管道的阻力系数和气体流速。若大、v高时，pa增加，使Pa下降。,2进气终了的温度进气终了的温度Ta高于进气状态温度。引起Ta升高的原因是:1）新鲜工质进入发动机与高温零件接触而被加热。2）新鲜工质与高温残余废气混合而被加热。3）在化油器式汽油机上，为了使液体燃料在进气管中蒸发，以便均匀地与空气混合而进入气缸，一般都采用废气或冷却水热量对进气管加热，故空气经过进气管时受热而温度升高。措施：将高温排气管与进气管分置于气缸两侧，控制进气预热，适当加大气门叠开角等，均有利于降低Ta。,转速和负荷对Ta的影响1）转速：当负荷不变而转速增加时，由于新鲜工质与缸壁等接触时间短，传热量少，所以Ta稍有下降。2）负荷：当转速不变而增加发动机负荷时，缸壁等零件温度升高，Ta有所上升。3.残余废气系数1）增加，降低，燃烧恶化，油耗、排放增加，2）压缩比提高，残余废气系数减小。3）排气压力高，废气多，充气效率降低。4）排气系统阻力大，排气压力高，废气多。,4.配气定时由的计算公式可见，由于进气门迟闭而1,新鲜充量的容积减小,但Pa值却可能因有气流惯性而使进气有所增加,合适的配气定时应考虑Pa具有最大值。5.压缩比压缩比增加,压缩容积减小,残余废气量随之减小,因而有所增加。,四、改善充气效率的措施,进气系统：空气滤清器或加进气消声器、化油器或喷油器、节气门、进气管、进气道和进气门等组成。减少各段通道的阻力，增大其流通能力，是提高充气效率，改善发动机性能的主要途径。一、进气门1.时面值气门开启断面与对应开启时间的乘积称为气门开启的时面值。它表示气体流过气门的通过能力。气门开启时间长，开启断面大，则气门开启时面值大，气流通过能力越强，阻力越小。增大进气门头部直径，减小气门头部锥角，增大气门升程，延长气门开启时间，均可扩大气门开启时面值。,2.进气马赫数M进气马赫数M是进气门气流平均速度Vm与该处音速C之比，即M=Vm/C。M是决定气流流动性质的重要参数。M值反映气体流动和气门结构尺寸的关系，对充气效率有重要的影响。根据一系列试验可知，在正常的配气定时条件下，当超过一定数值时，大约在0.5左右，充气效率急剧下降。因此在可能条件下应控制在最高转速时不超过一定数值，以达到提高充气效率的目的。,3.气门直径和气门数进气门直径增大,扩大气流通路截面积增加，v提高。双气门（一进一排）：进气门直径可达活塞直径的45%50%，气门与活塞面积之比为0.20.25，进气门比排气门大15%20%。受结构限制，进一步增大比例已很困难。,多气门结构：缸径大于80mm时，采用二进二排结构；缸径小于80mm时，采用三进二排结构。,四气门机与二气门机相比，功率可提高70%，扭矩可提高30%，且响应性比增压机好，故是汽车发动机高功率化的有力措施。,4.气门升程气门升程增加、改进凸轮型线、减小运动件质量、增加零件刚度，在惯性力允许条件下使气门开闭尽可能快，以增大时面值，提高充气效率。最大气门升程与阀盘直径之比L/d取0.260.28。,5.减少气门处的流动损失,二、进气道和进气管保证足够的流通面积，避免转弯及截面突变，改善表面的光洁程度。汽油机：燃料的雾化、蒸发、分配、压力波的利用。柴油机：形成进气涡流。高转速、大功率时，进气管宜短粗；中、低速，进气管宜细长。三、空气滤清器,合理选择配气定时在配气定时各参数中，进气门迟闭角的改变，对充气效率v影响最大。,v在某一转速下达到最高值，此转速下能最好地利用气流的惯性充气。进气迟闭角增大，v最大值对应的转速增加,排气提前角：保证排气损失最小的前提下，尽量晚开排气门。转速增加，排气提前角增大。气门叠开角：可以增加循环充量，提高充气效率，降低高温零件的热负荷，减少NOx。,第二节汽油发动机燃烧过程,一、混合气浓度表示方法空燃比=空气量/燃油量混合气分：稀混合气理想混合气（汽油14.7，柴油14.5）浓混合气混合气浓度表示方法：过量空气系数、空燃比,二、汽油机的燃烧过程,汽油机的理想循环为定容加热循环。汽油机燃料的燃烧是点燃式燃烧。,正常燃烧过程进行情况，通常测取燃烧过程的展开示功图研究燃烧过程。在燃烧压力线上，1点为火花塞跳火点，2点为出现火焰中心，3为最高压力点。将燃烧过程分为三个阶段：着火落后期、明显燃烧期和补燃期。,着火落后期（滞燃期、诱导期）从火花塞跳火到形成火焰中心时的时间或曲轴转角。特点：1）火花放电时两极电压达1015kV，局部温度可达3000K，加快了混合气的氧化反应速度。2）此阶段缸内压力无明显升高。,着火落后期的长短与以下因素有关：1）混合气成分混合气过量空气at=0.80.9时，着火落后期最短。2）开始点火时的缸内气体温度和压力开始点火时缸内气体温度和压力越高，着火落后期越短。3）缸内气体流动加强紊流运动，会加快混合气的氧化反应速度，着火落后期缩短。,4）火花能量加大火花能量，着火落后期缩短。5）残余废气量残余废气对燃烧反应起阻碍作用，使着火落后期变长，所以应尽量减少残余废气。,点火提前角：是指从火花塞跳火到上止点间的曲轴转角。可用其表示点火时刻。,明显燃烧期（急燃期）从形成火焰中心到最高压力出现。在均值混合气中，当火焰中心形成之后，火焰向四周传播，形成一个近似球面的火焰层，即火焰前锋，从火焰中心开始层层向四周未燃混合气传播，直到连续不断的火焰前锋扫过整个燃烧室。,火焰传播速度：火焰前锋相对于未燃混合气向前推进的速度。车用汽油机，燃烧室的火焰传播速度可达50-80m/s。,常用平均压力升高率pkPa()表征压力变化的急剧程度。,式中：p明显燃烧期始点和终点的气体压力差（kPa）;明显燃烧期始点和终点相对于上止点的曲轴转角差（CA）。汽油机的p在200400kPa/()范围内。,明显燃烧期是汽油机燃烧的主要时期。明显燃烧期愈短，愈靠近上止点，汽油机经济性、动力性愈好，但可能导致压力升高率值过高，工作粗暴，对排污亦不利。一般明显燃烧期约占2040曲轴转角，燃烧最高压力出现在上止点后1215曲轴转角，p=175250kpa/()为宜。,补燃期（后燃期）从最高压力点开始到燃料基本燃烧为止称为补燃期。,在此阶段参加燃烧的燃料主要有1）火焰前锋后未及时燃烧燃料再燃烧。2）贴附在缸壁未燃混合气层的部分燃烧。壁面温度低，对火焰具有熄火作用，这样在熄火存在大量未燃烃，在随后的膨胀中部分未燃烃继续燃烧。3）高温分解的燃烧产物（H2、O2、CO等）重新氧化。燃烧产物CO2、H2O中，有少部分在高温的作用下，分解成H2、O2、CO等产物，在膨胀过程中，因工质温度下降，热分解产物又继续燃烧、放热。这种燃烧已远离上止点，应尽量减少。,三、汽油发动机的不正常燃烧,汽油发动机的正常燃烧是指由火花塞跳火点燃可燃混合气，形成火焰中心，火焰按一定的速率连续地传播到整个燃烧室空间。若汽油发动机可燃混合气燃烧不是由火花塞点燃或火焰传播速率不正常的即为不正常燃烧，汽油发动机的不正常燃烧主要有爆燃和表面点火。,1.爆燃,（1）爆燃产生的原因末端混合气自燃,（2）爆燃的危害汽油发动机允许有轻微的、短时间爆燃。因为轻微的爆燃可以提高火焰传播速度，缩短燃烧过程所占用的时间，有利于提高有效热效率。但不允许严重的爆燃，严重的爆燃会有下列危害。机件过载机件烧损动力性、经济性下降发动机磨损加剧排气冒黑烟，补燃增加，排气温度增加噪声大,（3）影响爆燃的因素燃料的性质辛烷值高的燃料抗爆燃能力强。使用抗爆剂可有效地提高燃料的抗爆燃能力，但有些抗爆剂要受环保和发动机排放污染净化装置的制约，因此近年来各国都对含铅汽油的使用有一定控制。西方发达国家早已大量使用无铅汽油，我国已于2000年7月1日起禁止销售使用含铅汽油。末端混合气的压力和温度末端混合气的压力和温度增高，则爆燃倾向增大。提高压缩比，则气缸内压力、温度升高，爆燃易发生；气缸盖、活塞的材料使用轻金属，由于其导热性好，末端混合气压力、温度低，爆燃倾向小，可提高压缩比0.40.7单位。火焰前锋传播到末端混合气的时间提高火焰传播速度、缩短火焰传播距离，都会减少火焰前锋传播到末端混合气的时间，有利于避免爆燃。气缸直径大时，火焰传播距离增加，爆燃倾向增大，所以没有很大缸径的汽油发动机。发动机的负荷与转速混合气中所含废气的百分比越多则越不易自行发火，因为废气会阻碍混合气自行发火的化学反应过程。因而，降低负荷则不易发生爆燃。汽油发动机转速提高时，混和气的扰流增强，火焰传播速度加快。因而，转速高时也不易发生爆燃。,2.表面点火表面点火是指不靠电火花点火而由燃烧室内炽热表面（如排气门头部、过热的火花塞绝缘体和电极、炽热积碳等）点燃混合气的现象。表面点火的点火时刻是不可控制的，多发生在=9以上的强化汽油发动机上。（1）后火表面点火出现在火花塞跳火后，并且形成的火焰前锋仍以正常的火焰传播速度向未燃气体推进，称为后火。出现这种现象时，可在发动机断火后发现，发动机仍像有电火花一样，继续运转，直到炽热点温度下降到不能点燃混合气为止，发动机才停转。（2）早燃早燃是指火花塞跳火之前，混合气被炽热表面点燃的现象。由于早燃提前点火而且热点表面比火花大，使燃烧速率快，气缸压力、温度增高，发动机工作粗暴，并且由于压缩功增大，向缸壁传热增加，使发动机功率下降，火花塞、活塞等零件过热。,（3）影响热面点火的因素凡是能降低燃烧室温度和压力、减少积炭等炽热点形成的因素都有助于防止表面点火。a.燃料与润滑油低沸点的汽油（高沸点馏分尤其是重芳香烃含量要少）和成焦性小的润滑油（高分子量、低挥发性的成分要少），可以降低燃烧室内沉积物的生成，有助于防止表面点火。燃料中添加抑制表面点火的添加剂，如添加磷化物可改变沉积物的物理化学性质，降低其着火能力。b.压缩比降低压缩比，可降低燃烧室温度和压力，有助于防止表面点火。c.工况避免汽车长时间低负荷运行和汽车频繁加减速行驶，可以降低燃烧室内沉积物的生成，有助于防止表面点火。,（4）爆燃与表面点火关系表面点火与爆燃的不同点：爆燃是火花塞跳火后末端混合气的自燃现象；表面点火是火花塞跳火之前或之后由炽热表面或沉积物点燃混合气所致。爆燃时有强烈的压力冲击波，有尖锐的金属敲击声；表面点火没有压力冲击波，敲缸声比较沉闷，主要是由活塞、连杆、曲轴等运动件受到冲击负荷产生振动而造成。表面点火会诱发爆燃，爆燃又会让更多的炽热表面温度升高，促使更剧烈的表面点火，两者相互促进，危害可能更大。,四、影响燃烧过程的因素汽油的品质汽油的蒸发性与抗爆性是影响汽油机燃烧过程的主要使用性能。汽油的蒸发性汽油的蒸发性用馏程和蒸气压评定。汽油的蒸发性愈强，愈容易汽化，与空气混合愈均匀，易于完全燃烧。因而汽油要有良好的蒸发性，但蒸发性过强，在炎热的夏季、高原山区使用时，易形成供油系“气阻”，甚至发生供油中断现象。汽油的抗爆性汽油的抗爆性是指汽油在发动机气缸内燃烧时抵抗爆燃的能力，用辛烷值评定。汽油的辛烷值愈高，其抗爆性愈好。汽油的牌号以辛烷值划分。,混合气成分在at=0.80.9时，由于燃烧温度最高，火焰传播速度最大，因此pz、Tz、p/、Pe均达最高值，且爆燃倾向最大。在at=1.031.1时，由于燃烧完全，be最低，但此时缸内温度最高且空气富裕，NOx排放量大。使用at1的浓混合气工作，由于必然产生不完全燃烧，所以CO排放量明显上升。当at0.8及at1.2时，火焰传播速度缓慢，部分燃料可能来不及完全燃烧，因而经济性差，HC排放量增多且工作不稳定。,点火提前角点火提前角是从火花塞跳火开始到活塞到达上止点间的曲轴转角。其数值应视燃料性质、转速、负荷、过量空气系数等很多因素而定。,点火提前角过小，则燃烧延长到膨胀过程，燃烧最高压力和温度下降，传热损失增多，排气温度升高，功率下降，耗油量增多。点火提前角为最佳值时，压力升高率不是过高，最高压力出现在上止点后合适的角度内（1015），示功图面积最大，完成的循环功最多发动机的动力性、经济性最好。,点火提前角过大，则大部分混合气在压缩过程中燃烧，活塞上行所消耗的压缩功增加，发动机容易过热，有效功率下降，工作粗爆程度增加。同时由于混合气的压力过高，末端混合气燃烧前的温度较高，爆燃倾向加大。,发动机转速转速增加时，气缸紊流增强，火焰传播速度加快，因而以秒计的燃烧过程缩短，由于循环时间也缩短，一般燃烧过程相当的曲轴转角增加，应当相应加大点火提前角。为此化油器汽油机装有离心提前调节装置，使得在转速增加时，自动增大点火提前角，以保证燃烧过程在上止点附近完成。,转速增加时，火焰传播速度加快，爆燃倾向减小。,发动机负荷转速一定，负荷减小时，进入气缸的新鲜混合气量减小，而残余废气量基本不变，故残余废气所占比例相对增加。因为残余废气对燃烧反应起阻碍作用，使燃烧速度减慢。为保证燃烧过程在上止点附近完成，需增大点火提前角，靠化油器真空提前点火装置来调节。,低负荷时，爆燃倾向较小。主要是负荷低时，进气量少，残余废气相对较多，使燃烧最高压力和温度下降，阻止自燃产生。,冷却水温度冷却水温度应控制在8090（进口车95105）范围内。水温过高、过低均影响混合气的燃烧和发动机的正常使用，,冷却水温过高时，会使燃烧室壁及缸壁过热爆燃及表面点火倾向增加。同时进入气缸的混合气温度升高，密度下降，充量减小，使发动机动力性、经济性下降。冷却水温过低时，传给冷却水热量增多，发动机热效率降低，功率下降，耗油率增加；润滑油粘度增大，流动性差，润滑效果变差，摩擦损失及机件磨损加剧；容易使燃气中的酸根和水蒸气结合成酸类物质，使气缸腐蚀磨损增加；燃烧不良易形成积炭；不完全燃烧现象严重，使排污增多。,燃烧室积炭积炭不易传热，温度较高，在进气、压缩过程中不断加热混合气，使温度升高很快；积炭本身占有体积，减小了燃烧室体积，因而提高了压缩比，这些都促使爆燃倾向增加。积炭表面温度很高，形成炽热表面或炽热点，易引起表面点火。压缩比提高压缩比，可提高压缩行程终了混合气的温度和压力，加快火焰传播速度，选择合适的点火提前角，可使燃烧在更小的容积下进行，使燃烧终了温度、压力高。且燃气膨胀充分，热效率提高，发动机功率、扭矩大，有效油率降低。提高压缩比，会增加未燃混合气自燃的倾向，容易产生爆燃。,气缸直径气缸直径增大，火焰传播距离增加，爆燃倾向增大，所以没有很大缸径的汽油机。气缸盖和活塞材料铝合金比铸铁导热性好，气缸盖和活塞采用铝合金材料，可使燃烧室表面温度降低，热负荷明显减小，减小了爆燃倾向。燃烧室结构,第三节柴油发动机燃烧过程,高速柴油机的理想循环为混合加热循环。柴油机的燃烧方式为压燃式。柴油机混合气的形成方式有空间雾化混合、油膜蒸发混合等,柴油机可燃混合气形成的特点：,1.空间小、时间短在压缩终了时喷油，可燃混合气在狭小的燃烧室内形成，其过程是：喷油-气化-混合-燃烧-边喷-边燃。喷油的持续时间为汽油机的1/201/10，只占曲轴转角的1530。而汽油机混合气形成是从进气持续到压缩终了，占曲轴转角360左右。2.混合气不均匀、空燃比变化范围极大由于以上原因的影响，混合气成分在燃烧室内分布很不均匀，在油雾喷射区的油粒多偏浓，其他区油粒少偏稀。柴油机的标准空燃比为14.5:1，为了完全燃烧，减少碳烟产生，空气要过量10%40%，空燃比可达1620。各工况下一般不进行“进气节流控制”，只改变喷油量的多少，空燃比将在极大的范围内变化，造成大负荷工况冒黑烟，怠速工况过稀而熄火，需加装结构复杂的调速器。,3.边喷、边燃、成分不断变化不仅有空间方面的变化，也有时间方面的变化。在空间方面，浓区缺氧产生碳烟；稀区产生NOx。在时间方面，燃烧的前期氧多、油少，不易着火，延长了“备燃期”，造成压力升率（P/）加大，振感加大（敲击）。燃烧的后期氧少、废气多，燃烧条件恶化，排气冒黑烟。柴油机动力性、经济性、净化性和振噪感的好坏，决定于：喷油压力、喷油时刻、喷油质量、喷油规律、空气量的多少、涡流的好坏等多方面因素。其中的“喷油时刻和喷油规律”与“燃烧过程”精确的匹配问题，只有ECD-CR系统才能解决，“共轨控制”系统就应而生。,一、燃烧过程柴油机燃烧过程非常复杂，为了便于分析和揭示燃烧过程的规律，通常将这一连续的燃烧过程分为四个阶段，即着火延迟期（又称为滞燃期）、速燃期、缓燃期和补燃期，如图所示。,着火延迟期从柴油开始喷入气缸起到着火开始为止的这一段时期称为着火延迟期。着火延迟期内，燃烧室内的混合气进行着物理和化学准备过程。物理准备过程：燃油的粉碎分散、蒸发汽化和混合；化学准备过程：混合气的先期化学反应直至开始自燃。特点：压力没有偏离压缩线。,影响着火延迟期长短的主要因素是：喷油时缸内的温度和压力越高，则着火延迟期越短。柴油的自燃性较好（十六值较高），着火延迟期较短。燃烧室的形状和壁温等。喷油提前角：开始喷油到活塞到达上止点所对应的曲轴转角为喷油提前角。,速燃期速燃期:从开始着火（即压力偏离压缩线）到出现最高压力.特点：压力急剧上升，压力达到最高（有可能达到13MPa以上）。一般用压力升高率pkPa()曲轴表示压力急剧上升的程度。式中：p速燃期始点和终点的气体压力差（kPa）;速燃期始点和终点相对于上止点的曲轴转角差（CA）。,特点：1）压力升高率很高，接近等容燃烧，工作粗暴。2）达到最高压力（69MPa）。3）继续喷油。压力升高率过大，则柴油机工作粗暴，燃烧噪音大；同时运动零件承受较大的冲击负荷，影响其工作可靠性和使用寿命；压力升高率大，燃烧迅速，柴油机的经济性和动力性会较好。压力升高率应限制在一定的范围之内，柴油机的压力升高率一般应不大于0.40.5MPa()曲轴。与汽油机相比，柴油机的压力升高率较大。,控制压力升高率的措施：减小在着火延迟期内准备好的可燃混合气的量缩短着火延迟期的时间减少着火延迟期内喷入减少可能形成可燃混合气的燃油,缓燃期缓燃期为图中的CD段，即从最大压力点至最高温度点。当缓燃期开始时，虽然气缸内已形成燃烧产物，但仍有大量混合气正在燃烧。特点：1）喷油过程基本结束，燃烧速率下降（氧气、柴油浓度减小，废气增多）。2）压力开始下降（气缸容积不断增大），温度达到最高。最高温度可达2000K左右，一般在上止点后2035曲轴转角处出现。,补燃期从最高温度点起到燃油基本烧完时为止称为补燃期。补燃期的终点很难准确地确定，一般当放热量达到循环总放热量的9599时，可认为补燃期结束。补燃期内燃油的燃烧可称为后燃，由于燃烧时间短促，混合气又不太均匀，总有少量燃油拖延到膨胀过程中继续燃烧。特别在高速、高负荷工况下，因过量空气系数小，混合气形成和燃烧的时间更短，这种后燃现象就更为严重。在补燃期中，由于活塞下行了相当的距离，气缸内容积增大很多，缸内压力和温度迅速下降，故燃烧速度很慢，所放出的热量很难有效利用，还使排气温度升高，导致散热损失增大，对柴油机的经济性不利。此外，后燃还增加了有关零件的热负荷。因此，应尽量缩短补燃期，减少补燃期内燃烧的燃油量。,二、柴油机燃烧过程存在的主要问题,1工作粗暴若在着火落后期内形成的可燃混合气过多且同时燃烧或过早的喷油燃烧，则在柴油发动机燃烧过程的速燃期内，会引起燃烧室内的压力过分急剧地上升，会使燃烧室壁、活塞、连杆、曲轴等机件受强烈的冲击，并产生强烈的振动和特有的金属敲击声，给人带来难受的感觉，称为柴油发动机工作粗暴。工作粗暴的发动机往往因受到较大的冲击负荷而降低其使用寿命。,2排气冒烟柴油发动机废气中有时含有炭烟，炭烟的形成一般被认为是燃油在高温缺氧的情况下进行燃烧，使燃烧中间产物裂化聚合成炭粒。这些炭粒一般还能在随后的燃烧中找到空气而进一步燃烧。但如果空气不足或混合不好，则炭粒不能燃烧而聚合或附于气缸内壁或随废气排入大气形成柴油发动机特有的黑烟现象。,三、影响燃烧过程的因素1.柴油的性质柴油的自燃性十六烷值是评定柴油自燃性好坏的指标，对燃烧过程也有一定影响。十六烷值越高，着火性越好。着火性好的柴油，使着火延迟期缩短，柴油机工作柔和。但是十六烷值过高，燃料分子量加大，使燃油蒸发性变差、粘度增加，导致燃烧不完全，排气冒黑烟，燃油经济性下降。因此，国产柴油的十六烷值规定为4050之间，不必要过分增大。,柴油的蒸发性柴油的蒸发性用馏程表示。馏程指柴油蒸馏过程中馏出一定百分数所处的温度，通常以馏出50的温度来评定。馏程低，说明这种燃轻馏分多，蒸发性好，有利于混合气形成，改善了燃烧过程。但是，馏程过低，燃料蒸发过快，则在着火延迟期内形成的混合气量过多，柴油机工作粗暴。车用柴油机柴油馏出50的温度为200300。,2.负荷柴油机的负荷调节方法是“质调节”，即空气量基本上不随负荷变化，而只调节循环供油量。负荷增大，循环供油量也增大，过量空气系数减小，单位容积内混合气燃烧放出的热量增加，使缸内温度上升，缩短着火延迟期，从而降低了柴油机的工作粗暴。如图为负荷对着火延迟期的影响。在中、小负荷工况下，燃烧热效率的变化一般不大，但随负荷增大，循环供油量加大，过量空气系数减小，燃烧过程延长，都可能使燃烧效率下降。,3.转速转速升高时，由于散热损失和活塞环的漏气损失减小，使压缩终点的温度和压力增高；转速升高也会使喷油压力提高，改善燃油的雾化，这些都使得以秒为单位的着火落后期缩短，而以曲轴转角为单位的着火延迟期则有可能缩短，也可能延长，如图给出了转速对着火延迟期影响的实例。一般来说，转速过高或过低时，都会使燃烧热效率降低。转速过高时，燃烧所占的曲轴转角加大，充气效率下降，热效率下降；转速过低时，空气涡流减弱，喷油压力下降，使混合气质量变差，热效率也会下降。,4.供油提前角（或喷油提前角）供油提前角过大，喷油时气缸内温度、压力较低，着火落后期较长，压力升高率和最大爆发压力增大，导致柴油机工作粗暴，NOx的排放量增加。过早燃烧还会增加压缩负功，降低柴油机的经济性和动力性。供油提前角过小，则燃油不能在上止点附近及时燃烧，对柴油机的经济性和动力性也不利，微粒的排放也会增加。过迟燃烧还会使燃烧温度升高，散热损失增加。对于每一种工况，均有一个最佳的供油提前角，此时在负荷及转速不变的前提下，功率最高,有效燃油消耗率最低。但为了兼顾降低NOx的排放量和燃烧噪声的需要，一般调节供油提前角略小于最佳的供油提前角。,由图可见，NOx的排放量和燃烧噪音随供油提前角变小而下降，故实际中常将推迟喷油作为减小NOx的排放量和燃烧噪音的有效措施加以采用，但这往往也是以有效燃油消耗率和微粒的排放量上升为代价的。在不同转速和负荷下，最佳的供油提前角也不同。当转速增加时，由于喷油延迟角增大以及燃烧过程所占的曲轴转角可能增大，为保证燃油在上止点附近及时燃烧，需要适当加大供油提前角。一般直喷式燃烧室最佳供油提前角随转速的变化比分隔式燃烧室的大。汽车柴油机中的供油提前角调节装置，就是用于实现最佳供油提前角随转速的变化调节的。当负荷增加时，由于循环供油量增大以及燃烧过程变长，也需要适当加大供油提前角。对于最佳供油提前角随负荷的变化调节，则较难实现。只有在柴油机电控喷射系统中，才能真正实现最佳供油提前角随各种工况变化的准确调节。,5.废气再循环（EGR）废气再循环已得到了较多的实际应用（主要在轿车柴油机中），它是指将一部分已燃的废气再次引入燃烧室内参加燃烧。废气再循环可能由简单的机构来控制，也可以与电控喷射系统相结合，实现更精确、更理想的控制。通过废气再循环降低了燃烧过程中的工质温度，从而有效的控制了NOx的生成，降低了NOx的排放量。但由于它实际上降低了过量空气系数，会对完善、及时的燃烧产生不利的影响，从而也会使碳烟的排放量增多，柴油机经济性变差，特别是在高速、高负荷的工况下更是如此。因此，仅在低速、低负荷的一定范围内，才在进气中掺入一定量的废气。,6.压缩比压缩比较大时，压缩终点的温度和压力都比较高，使着火延迟期缩短，发动机工作比较柔和。不同压缩比对着火延迟期的影响如图所示。同时，压缩比的增大，还能提高发动机工作的经济性和改善起动性能。如果压缩比过高，燃烧最高压力会过分增大，曲柄连杆机构会承受过高的负荷，影响发动机的使用寿命。,7.活塞材料的影响铸铁活塞与铝合金活塞相比其温度较高，可以缩短着火延迟期，因此在其他条件相同时，采用铸铁活塞的柴油机工作比较柔和。,8.喷油规律的影响喷油规律是指单位时间（或转角）的喷油量即喷油速度随时间（或转角）而变化的关系。从减轻燃烧粗暴性考虑，比较理想的喷油规律是“先缓后急”即在着火延迟期内喷入气缸的油量不宜过多，以控制速燃期的最高燃烧压力和平均最大压力升高率，而着火燃烧后，应以较高的喷油速率将燃油喷入气缸，停油应干脆迅速，喷油延续角不宜过大，目的是使燃烧过程尽量在上止点附近进行，以获得良好的性能。,如图表明了喷油规律对燃烧过程的影响。图中gf为每循环喷油量，两种喷油规律的喷油提前角fj及着火延迟期i均相同。曲线1所示的喷油规律是开始喷油很急，在着火延迟期中喷入气缸的燃油较多，因此平均压力升高率和最高燃烧压力都较大，工作较粗暴；曲线2所示的喷油规律基本满足“先缓后急”的要求，当喷射持续角保持不变时，燃烧比较柔和,第四节发动机性能指标,一、指示性能指指标以工质在气缸内对活塞做功为基础而建立的用来评定实际循环质量好坏的指标，称为指示性能指标。用平均指示压力及指示功率评定实际循环的动力性，用指示热效率及指示燃油消耗率评定实际循环的经济性。,二、有效性能指标以曲轴对外输出的功率为基础而建立的用来评定发动机整机性能的指标，称为有效性能指标。,三、环境友好性指标关系到人类生存的环境和健康的指标，环境友好性指标。如：有害排放物、噪声。,第五节汽车发动机特性,发动机性能指标随调整情况、运转工况而变化的关系称为发动机特性。特性用曲线表示称为特性曲线，它是评价发动机性能的一种简单、方便、必不可少的形式。,一、发动机的速度特性发动机性能指标随转速变化的关系称为发动机的速度特性。若驾驶员将油门踏板位置保持一定，由于道路阻力不同，汽车行驶速度也会改变，上坡时汽车速度逐渐降低，下坡时速度增加，这时发动机即沿速度特性工作。,汽油机的速度特性（1）速度特性：汽油机节气门开度固定不动，其有效功率Pe、扭矩Ttq、燃油消耗率be、每小时耗油量B等随转速n变化的关系。（2）测取：发动机台架试验。测取前，应将点火提前角及化油器（电喷指燃油、进气、点火系统）调整完好；测取时，应按规定保持冷却水温度、润滑油温度在最佳状态。,节气门全开时速度特性称为外特性。节气门部分打开时的速度特性称为部分负荷速度特性。由于节气门的开启可以无限变化，所以部分负荷速度特性曲线有无数条，而外特性曲线只能有一条。,外特性曲线1扭矩曲线变化趋势随着转速n的增加，扭距Ttq逐渐增大，出现最大扭距Ttqmax后逐渐下降，且下降程度越来越大。曲线呈上凸形状。,根据公式可见，Ttq随n的变化取决于指示热效率i、机械效率m、充气效率v与过量空气系数随n的变化。,（1）在节气门开度一定时，过量空气系数at可视为常数。,（2）充气效率v在某一中间转速时最大。因为一定的配气相位仅对一种转速最适合，此转速下能最好地利用气流惯性。其余转速时v均降低，曲线为上凸形。,（3）指示热效率it转速低，进气流速低，紊流减弱，使雾化、混合状态较差，火焰传播速度降低，散热及漏气损失增加，it较低，转速高时，燃烧过程所占曲轴转角较大，燃烧在较大容积下进行，it也较低。但变化比较平坦，对Ttq影响较小。（4）机械效率m转速增加，消耗于机械损失功增加。因此，随转速升高，机械效率m明显下降。,综合作用的结果是；当转速由低开始上升时，v，it同时增加的影响大于m下降的影响，使Ttq增加，对应于某一转速时，Ttq达到最大值。转速继续增加，由于v、it、m均下降，因此Ttq随转速升高而较快的下降，即Ttq曲线变化较陡。,2.功率变化趋势Pe=Ttqn/9550当转速由低逐渐升高时，由于Ttq、n同时增加Pe增加很快。在达到最大扭距转速ntq后，再提高转速，由于Ttq有所下降，使Pe上升缓慢。某一转速时Ttqn达最大值。此后，再增加转速，由于扭距下降超过转速上升的影响，Pe反而下降。3.燃油消耗率变化趋势b=k3/itmb在某一中间转速当itm达到最大值时出现最低值。当转速较此转速低时，由于m上升弥补不了it的下降，使b增加。转速较此转速高时it、m均较低，b也增加。,部分负荷速度特性,随着节气门的关小，节流损失增大，充气效率减小，使部分负荷速度特性的Pe、Ttq低于外特性值。且转速越高，充气效率减小的越多，因此，节气门开度越小，随转速增加，扭距、功率曲线下降得越快，并使最大扭矩及最大功率点向低速方向移动。,节气门开度80%90%左右时，耗油率曲线位置最低。超过80%90%开度，混合气较浓，存在燃烧不完全现象，耗油率曲线位置较高，低于80%90%开度时，残余废气相对增多，燃烧速率下降，使it降低，耗油率曲线位置也高，且开度越小，耗油率曲线位置越高。,柴油机速度特性速度特性：喷油泵油量调节机构位置固定不动，柴油机性能指标（主要是功率Pe、扭距Ttq、燃油消耗率b、每小时耗油量B）随转速n变化的关系。外特性（标定功率速度特性）：油量调节机构固定在标定循环供油量位置时速度特性。部分负荷速度特性：当油量调节机构固定在小于标定循环供油量各个位置时，所测得的速度特性。,外特性曲线变化趋势,1扭矩曲线变化趋势柴油机的扭矩曲线比汽油机平坦。柴油机扭矩曲线的变化趋势，很大程度上决定于每循环供油量随转速变化的情况。,扭矩表达式可定性地写成,由式可见，柴油机扭矩随转速的变化趋势决定于it、m、b随转速n变化的趋势。,（1）b随转速n的提高，每循环供油量b增加。（2）v也是在某一中间转速n出现最高值。,（3）i指示热效率,i某一中间n稍高,i,转速高,v、b，使，不完全燃烧严重,燃烧占曲轴转角，燃烧容积,2.功率曲线由于扭矩Ttq曲线变化平坦，在一定n范围内，功率Pe几乎与转速n成正比增加。3.燃油消耗率曲线由于柴油机压缩比高，i较高，曲线比汽油机的平坦，最低耗油率值比汽油机相应值低。当i、m达到最大值时，出现bmin值。,部分负荷速度特性,随油量调节机构位置向减小供油量方向移动时，循环供油量减小，使部分负荷速度特性的Pe、Ttq值低于外特性。但随着负荷减小，循环供油量随转速的变化趋势基本不变，使部分负荷速度特性的变化趋势同外特性相似，所以柴油机的部分负荷速度性的Pe、Ttq曲线是随负荷的减小，大致平行下降。耗油率曲线的变化趋势基本同外特性。当负荷为75%左右时，曲线位置最低。,发动机扭矩特性要求发动机的扭矩随转速的降低而增加。如当汽车上坡时，若油量调节拉杆已达最大位置，但所发出的扭矩仍感不足，车速就要降低，此时需要发动机随车速降低而发出更大扭矩，以克服爬坡阻力。因此，为表明发动机的性能，引入扭距储备系数和转速储备系数的概念。,1.扭矩储备系数要充分表明发动机的动力性能，除给出标定功率及其相应的转速外，还要同时考虑发动机的扭矩特性，从而引入扭距储备系数和适应性系数K的概念。式中Ttqmax外特性曲线上的最大扭矩（Nm）；Ttq标定工况下的扭矩(Nm)。,或K值大，表明两扭矩之差（Ttqmax-Ttq）值大，即随转速的降低，扭矩Ttq增大越快，从而在不换档的情况下，爬坡能力、克服短期超负荷的能力越强。汽油机：值在10%30%范围，K值在1.21.4。柴油机：若不予以校正，则值只有5%10%范围，K值只有1.05左右，难以满足车辆使用要求。,转速储备系数n转速储备系数是标定工况时的转速与最大扭矩转速的比值。式中nB标定工况转速；ntq最大扭矩转速最大扭矩转速ntq越低，n越大，车辆在不换挡的情况下，发动机克服阻力增加的潜力越强。一般，汽油机n=1.152.0，柴油机n=1.52.0。,柴油机扭矩特性的改善柴油机扭矩储备系数小的根本原因是由喷油泵速度特性决定的。因此，柴油机中都采用油量校正装置来改造外特性扭矩曲线。油量校正装置的作用是：当发动机在标定工况下工作时，如果转速因外界阻力矩不断增加而下降，则喷油泵能自动增加循环供油量，以增大低速时的扭矩，提高扭矩储备系数。,负荷特性：转速不变，其经济性指标随负荷（可用功率Pe、扭矩Ttq或平均有效压力Pme表示）的变化关系。当汽车以一定的速度沿阻力变化的道路行驶时，就是这种情况。此时必须改变发动机油门来调整有效扭矩，以适应外界阻力矩的变化，以保持发动机转速不变。,二、发动机的负荷特性,汽油机负荷特性1.负荷特性：当汽油机转速不变，而逐渐改变节气门开度，每小时耗油量B、燃料消耗率b随负荷（Pe、Ttq或Pme）而变化的关系。2.测取：发动机台架试验。测取前应将化油器、点火提前角（电喷指燃油、进气、点火系统）调整完好；测取时应按规定保持冷却水温度、润滑油温度在最佳状态。3.汽油机靠改变节气门开度，改变进入气缸的混合气数量来适应负荷变化。其负荷的调节方法称为“量调节”。,汽油机负荷特性分析,燃油消耗率曲线由公式be=k3/itm可知，燃油消耗率b的变化取决于it、m的变化。it、m随负荷的变化如图所示。,（1）i转速一定，负荷增加，节气门开度加大，残余废气相对减少，热负荷增加，从而改善了燃油雾化、混合条件，使燃烧速度加快，散热损失相对减少，i增加。负荷